Summary Cerebral cortical-enriched organoids derived from human pluripotent stem cells (hPSCs) are valuable models for studying neurodevelopment, disease mechanisms, and therapeutic development. However, recognized limitations include the high variability of organoids across hPSC donor lines and experimental replicates. We report a 96-slitwell method for efficient, scalable, reproducible cortical organoid production. When hPSCs were cultured with controlled-release FGF2 and an SB431542 concentration appropriate for their TGFBR1 / ALK5 expression level, organoid cortical patterning and reproducibility were significantly improved. Well-patterned organoids included 16 neuronal and glial subtypes by single cell RNA sequencing (scRNA-seq), frequent neural progenitor rosettes and robust BCL11B+ and TBR1+ deep layer cortical neurons at 2 months by immunohistochemistry. In contrast, poorly-patterned organoids contain mesendoderm-related cells, identifiable by negative QC markers including COL1A2 . Using this improved protocol, we demonstrate increased sensitivity to study the impact of different MAPT mutations from patients with frontotemporal dementia (FTD), revealing early changes in key metabolic pathways.

SUMMARY Frontotemporal dementia (FTD) due to MAPT mutation causes pathological accumulation of tau and glutamatergic cortical neuronal death by unknown mechanisms. We used human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived cerebral organoids expressing tau-V337M and isogenic corrected controls to discover early alterations due to the mutation that precede neurodegeneration. At 2 months, mutant organoids show upregulated expression of MAPT , and glutamatergic signaling pathways and regulators including the RNA-binding protein ELAVL4 . Over the following 4 months, mutant organoids accumulate splicing changes, disruption of autophagy function and build-up of tau and P-tau S396. By 6 months, tau-V337M organoids show specific loss of glutamatergic neurons of layers affected in patients. Mutant neurons are susceptible to glutamate toxicity which was rescued pharmacologically by treatment with the PIKFYVE kinase inhibitor apilimod. Our results demonstrate a sequence of events that precede cell death, revealing molecular pathways associated with glutamate signaling as potential targets for therapeutic intervention in FTD.

Tau protein aggregation is a hallmark of several neurodegenerative diseases, including Alzheimer's disease, frontotemporal dementia (FTD) and progressive supranuclear palsy (PSP), spurring development of tau-lowering therapeutic strategies. Here, we report fully human bifunctional anti-tau-PEST intrabodies that bind the mid-domain of tau to block aggregation and degrade tau via the proteasome using the ornithine decarboxylase (ODC) PEST degron. They effectively reduced tau protein in human iPSC-derived cortical neurons in 2D cultures and 3D organoids, including those with the disease-associated tau mutations R5L, N279K, R406W, and V337M. Anti-tau-hPEST intrabodies facilitated efficient ubiquitin-independent proteolysis, in contrast to tau-lowering approaches that rely on the cell's ubiquitination system. Importantly, they counteracted the proteasome impairment observed in V337M patient-derived cortical neurons and significantly improved neuronal survival. By serial mutagenesis, we created variants of the PEST degron that achieved graded levels of tau reduction. Moderate reduction was as effective as high reduction against tau V337M-induced neural cell death.